大米淀粉及其磷酸酯的理化性质研究

毛海锋 吴卫国 胡元斌 曾端辉

大米淀粉及其磷酸酯的理化性质研究

毛海锋1吴卫国2胡元斌1曾端辉1

(湖南省粮油科学研究设计院1，长沙 410201)
(湖南农业大学食品科技学院2，长沙 410128)

对大米淀粉进行酯化，通过改变温度得到不同取代度的大米淀粉磷酸酯，使用扫描电子显微镜、质构仪、快速黏度分析仪、流变仪对大米淀粉及其不同取代度的淀粉磷酸酯的理化性质进行了测定。结果显示:大米磷酸酯淀粉的硬度、回复性、胶性和咀嚼性要低于大米原淀粉，凝聚性和黏着性要高于原淀粉，取代度越大硬度、回复性、胶性和咀嚼性越小，凝聚性和黏着性越大;大米淀粉磷酸酯的开始糊化温度要小于大米原淀粉，峰值黏度、最低黏度、最终黏度、崩解值、消减值要小于大米原淀粉，取代度增大，开始糊化温度降低，峰值黏度、最低黏度、最终黏度、崩解值、消减值增大。大米淀粉经过磷酸酯变性后，黏度增加了，不易回生，稳定性加强了，凝沉性减弱了，且取代度越高，这些性质越明显;大米淀粉磷酸酯和大米淀粉属于剪切稀化流体，在相同剪切速率下，取代度越大的大米淀粉磷酸酯表观黏度越大。

磷酸酯淀粉 取代度 质构性 糊化特性 流变性

大米淀粉、大米变性淀粉及大米淀粉衍生物都是重要的工业原料，广泛应用于造纸、食品、纺织、医药、胶黏剂、水产和饲料行业以及选矿、废水处理、油田开采等多个领域。淀粉的糊化有着广泛的意义:作为食品，淀粉必须糊化后才能被淀粉酶作用，作为施胶剂或浆料，成糊的淀粉才能供涂抹，因此认识淀粉糊化性质是其应用的依据［1］。质构仪是在一定条件下测定固体或半固体食品的应力－应变曲线，进而分析其质地特性的仪器分析方法，这种方法可以进行咀嚼模拟，获得表达淀粉凝胶质地特性的物理指标，以减少由于人的感观评价而造成的应用限制。流变性质对大米淀粉的运输、传送和加工工艺等都起到非常重要的作用。通过对流变性质的研究不仅能够了解大米淀粉组织结构的变化情况，还可以找出与加工过程有关的力学性质的变化规律，从而可以控制大米淀粉的质量，鉴别优劣，还可以为工艺及设备的设计提供有关数据［2］。本文就对大米淀粉及其磷酸酯的电镜结构、质构性、糊化特性和流变特性进行了分析研究，为大米淀粉及其磷酸酯的应用提供了更多的理论基础。

1 材料与方法

1．1 原料与设备

大米:湖南金健桃花香米。

氢氧化钠、磷酸二氢钠、尿素:均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

DELTA－320pH计:上海梅特勒－托利多仪器有限公司;ZN－400A组织粉碎机:长沙市岳麓区中南制药机械场;101A－3ET电热鼓风干燥箱:上海试验仪器厂有限公司制造;722S分光光度计:上海棱光技术有限公司制造;JJ－1型定时电动搅拌器:上海浦东物理光学仪器厂制造;HH－S8数显式电热恒温水浴锅:上海精宏实验设备有限公司;TA动态流变仪:美国ARES，TA公司;6380LV扫描电子显微镜:日本电子公司;LXJ－Ⅱ离心机:上海安亨科学仪器厂;TEE32质构仪:英国SMSTA公司;RVA Super 4型快速黏度分析仪:澳大利亚Newport Scientific仪器公司。

1．2 试验方法

1．2．1 大米淀粉的提取

大米→组织粉碎机粉碎→0．4%的NaOH溶液浸泡24 h(碱液的量以淹没原料为准)→HCl中和→水洗3次→5 000 r/min离心5 min取下层淀粉→在电热干燥箱45℃干燥［3］。

1．2．2 大米淀粉磷酸酯的制备

采用浸泡法工艺，首先将磷酸盐与尿素在蒸馏水中溶解，加入干大米淀粉调节pH值到5．8，再搅拌半小时，滤干，在低温下干燥水分至10%左右，然后分别在130、140、150℃温度下酯化，其得到大米淀粉磷酸酯的取代度分别为 0．021 5、0．030 3、0．046 8。

1．2．3 电镜扫描试验

取5 mg淀粉放入5 mL的玻璃试管中，加入90 mL的乙醇溶液，超声波振荡20 min。用微量进样器取8μL含样品的乙醇溶液滴入边长为4 mm的ITO玻璃片上，室温自然干燥3 h。干燥后的ITO玻璃片固定在样品台上后喷铂(增加样品的导电性)，电流设置为3 mA，时间为15 min。重复4次，注意每次要间隔5 min(使样品冷却)。喷铂后可进行电镜观察。

1．2．4 淀粉凝胶质构测定

淀粉凝胶的制备:配置质量分数10%的淀粉溶液，边搅拌边加热至淀粉溶液糊化，冷却后用塑料薄膜封口，在4℃温度下放置24 h，取出，胶体取1．5 cm 长，待测。

测定参数的设定备:测试探头采用5 mm的平底探头，触发力 5 g，测前速度 1．0 mm/s，测量速度1．0 mm/s，测后速度1．0 mm/s，压缩距离20 mm。试验结果可以得到7个指标:弹性是两次压缩时间比t2/t1，硬度是第一次压缩所用最大力;凝聚性是第二次峰面积与第一次峰面积的比值;黏着性是两峰间的负面积;胶性是硬度和凝聚性的乘积值;咀嚼性是硬度、凝聚性和弹性的乘积值;回复性是由第一压缩周期而成的，等于曲线中回弹曲线与横轴所包围的面积比［4］。

1．2．5 糊化特性测定

采用快速黏度分析仪进行测定，用TCW(Thermal Cycle For Windows)配套软件进行分析。根据AACC(美国谷物化学协会)操作规程，称取淀粉样品3．00 g，蒸馏水25．00 mL。测定过程中，加热过程是从50℃开始以每分钟增加5℃至95℃，然后在95℃保温2．7 min，冷却过程是从95℃开始以每分钟降低5℃至50℃，然后在50℃保温2 min。搅拌器初始10 s内转速为960 r/min，之后维持在160 r/min。

1．2．6 大米淀粉糊的流变性测定

将8%的淀粉糊化后冷却12 h后，放入ARES流变仪测定平台，选择直径为40 mm的平板模具和稳态测试程序，启动流变仪，设置间隙(1 mm)，刮去平板外多余淀粉糊，加上盖板，并加入硅油防止水分蒸发，然后在20 ℃下，剪切速率(γ)从0 ～500 s－1递增，测定糊随剪切速率上升的表观黏度(η)和剪切应力(τ)。

1．2．7 分析方法

本文采用DPS和excel数据处理系统对试验数据进行分析处理。

2 结果与分析

2．1 电镜试验结果

图1、图2分别是大米淀粉和大米淀粉磷酸酯在10 000倍和15 000倍下的电镜图。

图1 大米淀粉的电镜图

图2 大米淀粉磷酸酯的电镜图

不同类型淀粉立体形貌不同，观察上面的电镜图中可以看出，大米淀粉颗粒为不规则多面体，表面光滑，颗粒大小明显比其他淀粉要小，且颗粒间排列不紧密。从图2可以看出，淀粉磷酸酯的表面有不同程度的损伤，出现了凹陷、裂纹，甚至团粒破裂，而原淀粉表面很光华，这是因为淀粉颗粒具有独特的层状结构，颗粒内部主要是非结晶区，外层为结晶区且结构相当牢固，对化学试剂及酶有较强的抵抗能力，所以淀粉颗粒很难受到破坏［5］。原淀粉经过酯化反应后，其表面形态及内部结构会出现不同程度的损伤或侵蚀，表面出现凹陷、裂纹，甚至团粒破裂，其破坏程度会随热处理强度增大而增大［6］。这是因为在酯化过程中淀粉层状结构的层间质点结合力较弱，容易受到破坏，产生晶格缺陷，导致结晶度降低［7］。化学作用对颗粒内部和表面的侵蚀表明酯化反应不仅发生在淀粉的无定型区，对结晶区也有一定的破坏。

2．2 淀粉凝胶质构测定

表1为其凝胶质构图谱特征。硬度表示使淀粉凝胶发生形变所需要的力，反映淀粉凝胶对变形抵抗的性质;弹性是指淀粉凝胶在外力作用下形变后恢复原来状态的能力;黏着性反映淀粉凝胶表面和其他物体黏附着时，脱离它们所需要的力;凝聚性是淀粉凝胶保持完整的性质;胶性是用于反映半固态物质的特性;咀嚼性即口语中所说的咬劲，反映了食品对咀嚼的持续抵抗力;回复性反映了凝胶以弹性变形保存的能量，是凝胶受压后快速恢复变形的能力［4］。

从表1中可以看出，大米磷酸酯淀粉硬度、回复性、胶性和咀嚼性要低于大米原淀粉，且随着取代度的增加，硬度、回复性、胶性和咀嚼性降低。这是淀粉分子中引入磷酸基团之后，阻碍了淀粉链之间氢键的形成，降低了分子间的结合力，使淀粉颗粒结构变得松弛，结晶区变少，淀粉颗粒原有的紧密结构遭到破坏。另外大米淀粉凝胶实际上是互相缠绕的直连淀粉分子的三维网状结构，包括分散膨胀、破裂的淀粉颗粒，大米淀粉经过磷酸酯化反应后直链淀粉含量显著降低，直链淀粉分子的双螺旋结构不能有效地缠绕其他破裂的淀粉颗粒形成三维网络结构，在一定压力下淀粉凝胶变得很脆弱。凝聚性和黏着性随着取代度的上升而增大，这可能是因为随着取代度的增加，粉中的磷酸基团越多，分子体积越大，也可能是高温下酯化反应伴随的副反应交联反应造成的。

2．3 糊化性质分析

有研究指出将磷酸盐添加进大米粉里，将显著影响大米粉的糊化特性［8］，而本研究是将大米淀粉做磷酸酯化变性，通过改变反应温度、反应时间得到不同取代度的磷酸酯淀粉，利用快速黏度分析仪测定淀粉的糊化特性，进一步研究取代度对大米淀粉糊化特性的影响。

快速黏度分析仪(RVA)可以完整地记录整个加热升温、热保温、降温及冷保温中的黏度与时间的变化。曲线上反映的是淀粉与水整个混合物体系即淀粉糊的糊化状态，而不是某个淀粉颗粒的溶胀情况。

RVA谱特征用最高黏度、最低黏度、最终黏度、崩解值(最高黏度与最低黏度之差)、消减值(最终黏度与最高黏度之差)、糊化温度来表示。

图3 不同取代度的大米淀粉磷酸酯的RVA黏度曲线

图3 是不同取代度的大米淀粉磷酸酯的RVA黏特征变化趋势。大米淀粉和磷酸酯淀粉的变化趋势基本上是一致的，都呈马鞍形，在温度小于糊化温度时，由于淀粉粒仅作有限膨胀［9］，淀粉黏度较低，曲线平坦。随加热时间延长，支链淀粉微晶束首先熔融［10］，淀粉粒剧烈膨胀，导致黏度的突然上升;随后，直链淀粉向水中扩散，形成胶体网络，淀粉粒充分膨胀，从而使糊化曲线上升至最高峰，并形成淀粉糊。然后，淀粉粒中支链淀粉分子链进一步伸展，颗粒破裂，直链淀粉进一步向水中分散［11］，导致黏度下降。到达最低黏度后，随温度下降，淀粉糊的流动阻力增大，导致黏度又呈现上升趋势。

表1 不同取代度磷酸酯的质构图谱特征

表2是大米淀粉和不同取代度大米淀粉磷酸酯的黏度特征值，从表2可知，不同取代度的大米淀粉磷酸酯的峰值黏度、最低年度、崩解值、最终黏度、消减值、成糊温度都具有显著性差异。

表2 不同取代度大米淀粉磷酸酯的黏度特征值

大米淀粉的糊化温度比大米淀粉磷酸酯的要高，而且随着取代度的增加，糊化温度降低，这可能与淀粉中的直链淀粉的含量有关，直链淀粉之间是以氢键结合，结合力较强［12］。淀粉的糊化实际上就是随着温度的升高，淀粉分子内的一些化学键开始不稳定，断裂，淀粉吸水膨胀引起的，所以直链淀粉含量高的淀粉比直链淀粉含量低的淀粉更难糊化。而随着取代度的增加，淀粉内的直链淀粉含量是降低的，这是由于直链淀粉是一种线形多聚物，都是由葡萄糖通过糖苷键连接而成的链状分子，大米淀粉经过磷酸酯化变性后，磷酸根取代了淀粉链上羟基中的氢，淀粉分子中的氢键受到了破坏，随着取代度的增加，这种受破坏程度增强，因而导致直链淀粉含量的降低，所以大米淀粉的糊化温度是高于淀粉磷酸酯，且随着取代度的增加其糊化温度越低。

取代度越高，峰值黏度、最低黏度、最终黏度越大，淀粉的黏度与直链淀粉含量是成相反关系的，温度升高，淀粉颗粒膨胀，直链淀粉阻止颗粒膨胀，所以直链淀粉含量高的淀粉的峰值黏度、最低黏度、最终黏度应该是小于直链淀粉含量低的淀粉的，但磷酸酯淀粉的氢键被磷酸基团破坏，反而是直链淀粉与支链淀粉之间形成更大更稳定的基团，或是支链分子之间形成更大的分子［13］，使淀粉的平均分子质量提高了，增加了溶液黏度，因此淀粉磷酸酯在糊化过程中，峰值黏度、最低黏度、最终黏度反而增加了。

崩解值是由淀粉颗粒吸水膨胀引起的［14］，大米淀粉磷酸酯的崩解值是大于大米淀粉，且取代度越高的崩解值越大，这是因为磷酸基是亲水基团，大米淀粉磷酸酯比大米淀粉更容易吸收水分。消减值表示淀粉糊的凝沉性，变化为正值时，越大则表示凝沉性越强，变化为负值时，表示凝沉性弱，负值的绝对值越小则表示凝沉性越弱［13］，原淀粉的消减值为－2 847，随着取代度的增大，消减值的绝对值也减小，取代度为0．468时绝对值为－1 791，说明取代度越大，大米淀粉磷酸酯的凝沉性减弱了。这是因为磷酸酯淀粉在同样的受热条件下容易糊化，淀粉分子链可以充分分散于大量的水中而舒展，成为均相的分散系统，然后在淀粉分子间的氢键缔合作用下开始凝沉，其沉积平衡的时间更长。

2．4 流变性

从图4可以看出，大米淀粉磷酸酯和大米淀粉一样都具有剪切稀化现象，表观黏度随剪切速率的升高而降低，开始时表观黏度下降较快，后面接近平坦，这是因为淀粉在成糊过程中，由于淀粉颗粒的碰撞、溶解、水合等作用，淀粉颗粒形成许多巨大的链状分子，在静止或低流速时，他们互相钩挂缠结，黏度较大，显得黏稠。但当流速增大时，也就是由于流体之间剪切应力的作用，使比较散乱的链状分子滚动旋转而收缩成团减少了相互钩挂或分子链断裂减小了分子间作用力，造成了黏度下降，经过一段时间的剪切后，部分链状分子收缩成团、部分淀粉分子链变短，继续剪切的效果变得不明显，淀粉糊黏度变化小。

图4 不同取代度大米淀粉磷酸酯的表观黏度与剪切速率关系图

同时可以看出，取代度对淀粉的表观黏度是有显著影响的，在相同剪切速率下，随着取代度的上升表观黏度增加，这是因为取代度越大，淀粉中的磷酸基团越多，分子体积越大，所以黏度上升;还可能是取代度高的淀粉磷酸酯中的更多的发生了交联反应，分子间缠结更大，导致黏度变大。取代度为0．021 5的大米淀粉磷酸酯的表观黏度却小于大米淀粉，取代度低的淀粉磷酸酯表观黏度更低可能因为酯化反应都是在高温下进行的，会造成分子间淀粉链断裂，由取代引起的黏度上升低于淀粉链断裂引起的黏度降低。

3 结论

3．1 大米淀粉颗粒多为不规则多面体，表面光滑，颗粒大小明显比其他淀粉要小，且颗粒间排列不紧密，大米淀粉经过酯化反应后，其表面形态及内部结构会出现不同程度的损伤或侵蚀，表面出现凹陷、裂纹，甚至团粒破裂。

3．2 随着取代度的增加，胶体的硬度、回复性、胶性和咀嚼性降低，凝聚性和黏着性随着取代度的上升而增大。

3．3 大米淀粉和大米磷酸酯淀粉的RVA黏度曲线变化趋势都呈马鞍形，在达到糊化温度之前黏度很小，到了糊化温度后黏度迅速上升，达到最高黏度后开始下降，降到最低黏度后又缓慢的升高。取代度(也就是结合磷的含量)对大米淀粉和大米磷酸酯淀粉的糊化特性有显著影响，随着取代度的增大，峰值黏度、最低黏度、最终黏度、崩解值、消减值都随之增大，开始糊化温度随着取代度的增大而减小。大米淀粉经过磷酸酯变性后，黏度增加了，不易回生，稳定性加强了，凝沉性减弱了，且取代度越高，这些性质越明显。

3．4 大米淀粉磷酸酯和大米淀粉一样，属于剪切稀化流体，表观黏度随剪切速率的增大而下降，开始下降比较快，后面下降趋势接近平坦。在相同剪切速率下，取代度越大的大米淀粉磷酸酯表观黏度越大，但取代度为0．020 2的淀粉磷酸酯的表观黏度小于大米淀粉，因为取代引起的黏度上升低于淀粉链断裂引起的黏度降低。

［1］钱建亚，顾林，三种常用淀粉糊化测定方法的比较［J］．西部粮油科技，1999，24(4):42－46

［2］李云飞，殷涌光，金万镐．食品物性学［M］．北京:中国轻工业出版社，2005:42－48

［3］程科，陈季旺，许永亮，赵思明．大米淀粉物化特性与糊化曲线的相关性研究［J］．中国粮油学报．2006，21(6):4－8

［4］屠康，姜松，朱文学．食品物性学［M］．东南大学出版社．2009，9(1):133－144

［5］Lewandowicz G，Fornal J，Walkowski A．et al．Starch Esters Obtained by Microwave Radiation－Structure and Functionality［J］．Ind．Crops and prod．2000，11:249－257

［6］杜连起，王阿莉，倪晓娜．不同取代度玉米淀粉磷酸酯理化性质的研究［J］．中国食品学报．2005，5(2):34－38

［7］张力田．变性淀粉［M］．广州:华南理工大学出版社，1999:197－200

［8］熊善柏，赵思明，冯醒桥，等．淀粉在过量水分下糊化机理研究［J］．粮食与油脂，2001(9):2－4

［9］熊善柏，赵思明，姚霓，等．稻米淀粉糊化进程研究［J］．粮食与饲料工业，2001(5):14－16

［10］程科，陈季旺，许永亮，等．大米淀粉物化特性与糊化曲线的相关性研究［J］．中国粮油学报，2006，21(6):4－8

［11］MOUNSEY J S．O'RIORDAN E D．Characteristics of imitation cheese containing native or modified rice starches［J］．Food Hydrocolloids，2008，22(6):1160－1169

［12］TESTER R F，MORRISON W R．Swelling and gelatinization of cereal starch．I．Effects of amylopectin，amylose，and lipids［J］．Cereal Chemistry，1990，67(6):551－557

［13］张友松．变性淀粉生产与应用手册［M］．北京:中国轻工业出版社，1999:74－91

［14］白卫东，王琴，李伟雄．不同介质条件对银杏淀粉糊流变特性的影响［J］．农业工程学报．2006，22(7):38－42．

Study on Preparation and Physicochemical Properties of Rice Starch and its Phosphate Ester

Mao Haifeng1Wu Weiguo2Hu Yuanbin1Zeng Duanhui1
(Hunan Provincial Cereals and Oils Scientific Research ＆ Design Institute1，Changsha 410201)
(College of Food Science and Tech－nology，Hunan Agricultural University2，Changsha 410128)

Esterfying the starch phosphste to different degrees of substitution，the esterification reaction may be gotten for changing the temperature．The preparation and physicochemical properties of Rice Starch and its Phosphate Ester with different degrees of substitution(DS)were determined using scanning electron microscopy，texture analyzer，rapid viscosity analyzer(RVA)and rheometer．The results were as follows:the hardness，recovery，colloidal and chewing of rice starch phosphate ester were less than those of rice starch，but the cohesion and adhesion were higher than those of rice starch．With the increase in the degree of DS，the hardness，recovery，colloidal and chewing of rice starch phosphate este reduced，and the cohesion and adhesion of the increase with the degree of DSwere increased;the gelatinization temperature of the rice starch phosphate ester was less than that of rice starch，and the values of peak viscosity，minimum viscosity，final viscosity，and breakdown and absolute values were less than those of rice starch;with the increase in the degree of DS，the gelatinization temperature of the rice starch phosphate ester was reduced and the values of peak viscosity，minimum viscosity，final viscosity and breakdown and absolute values were increased．Through esterification，the viscosity of the rice starch was increased，it was not easy for retrogradation，its stability was increased and its retrogradation was weakened．The higher the degree of substitution was，the more obvious these natures became．Rice starch and its phosphate belonged to shear－ thinning fluid．At the same shear rate，the degree of substitution was higher and the viscosity was more apparent．

starch phosphate ester，degree of substitution，textural sexual，pasting property，rheological property

TS231

A

1003－0174(2012)01－0033－06

2010－11－15

毛海锋，男，1982年出生，硕士，食品科学